Vol. 16, núm. 2 (2001)

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Interacción agua geotérmica-manantiales en el campo

geotérmico de Los Humeros, Puebla, México

Eduardo González Partida

Universidad Nacional Autónoma de México

Enrique Tello Hinojosa

Comisión Federal de Electricidad

Mahendra Pal Verma

Instituto de Investigaciones Eléctricas

Los manantiales aledaños al campo geotérmico de Los Humeros, Puebla, son del tipo bicarbo- natado-sódico. Este carácter geoquímico sugiere que se trata de aguas de origen meteórico de reciente infiltración que han circulado a través de roca de tipo volcánico. De acuerdo con el es- tado de equilibrio agua-roca, se encontró el sistema geotérmico de Los Humeros en desequi- librio. Esto ocurre en sistemas geotérmicos asociados con volcanismo reciente como el de este campo, de tal forma que los gases presentes en el reservorio geotérmico son de origen magmá- tico y el HCI no ha sido totalmente neutralizado por la reacción con los feldespatos y micas. Esto también se confirma debido al alto contenido de H3BO3 y As, los cuales indican que el sistema de Los Humeros es reciente. Debido al desequilibrio agua-roca que presenta este campo, los tipos de agua que producen los pozos también son variables y dependen del tipo de pozo y la zona donde produzca. Los pozos más someros presentaron un carácter bicarbonatado-sódico, mientras que los pozos más profundos presentan un tipo geoquímico clorurado-sódico. De acuerdo con los datos de exceso de vapor, se encontró que el pozo H-1 produce en una zona de Iíquido dominante, mientras que el resto de los pozos producen en una zona de dos fases. De acuerdo con su composición isotópica, los pozos de Los Humeros presentan un corrimien- to de oxígeno- característico de fluidos de origen geotérmico que se han equilibrado con la roca a altas temperaturas. La mayoría de los manantiales aledaños al campo se ubican en la Ií- nea meteórica.

Palabras clave: manantiales, agua geotérmica, desequilibrio, origen meteórico.

Introducción

El campo geotérmico de Los Humeros, Puebla, se encuentra ubicado en el centro-oriente del estado de Pue- bla, en límites con el centro-occidente del estado de Veracruz, a kilómetros al noroeste de la ciudad de Ja- lapa, Veracruz. Actualmente el campo cuenta con pozos perforados, de

los

cuales son productores. También desde se inició la generación de electricidad en este sitio (Tello, 1994). Actualmente se cuenta con siete unidades de generación a boca de pozo de MW cada una. Sin embargo, se tiene contempla- da la instalación de dos plantas más de MW cada

una en un futuro inmediato. En la ilustración se puede ver la ubicación de

los

pozos perforados en este campo.

El objetivo del presente trabajo es definir mediante análisis químicos e isotópicos del agua la relación existente entre las aguas meteóricas de reciente infil- tración y las del fluido geotérmico; mostrar sus carac- terísticas químicas y genéticos, y determinar el grado de equilibrio agua-roca. Para lograr

lo

anterior, después de años de trabajo de campo y análisis de muestras

en laboratorio (Tello, y

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diagrama Na-K-Mg de Giggenbach (1988) se usó para ca y sienítica, que afectaron localmente la secuencia definir el estado de equilibrio del fluido geotérmico y el sedimentaria. Para estas rocas se midieron edades de comportamiento de los manantiales, así como un dia- hasta millones de años (Yáñez y García, grama cuaternario complementario que relaciona al como se observa en la sierra de Tepeyahualco. Des- Na-Mg-K-Ca. Un tercer diagrama que relaciona al Log pués de una etapa de quietud, donde predominó la K/Mg-Log K/Ca-temperatura K/Mg-presión del CO2 erosión, se inició en el Mioceno Medio la actividad vol- también se consideró en la determinación del equilib- cánica, principalmente de composición andesítica, re- rio pozos-manantiales geotérmicos. Finalmente se usó presentada por la andesita Teziutlán. Esta unidad la composición isotópica de las aguas de los ma- constituye la base de los productos volcánicos de la nantiales y pozos geotérmicos para definir su origen y caldera de Los Humeros. Se caracteriza por ser una grado de interacción agua-roca. La metodología de andesita afanítica, de color gris oscuro; su espesor es trabajo y su sustento teórico puede ser consultada en muy variable. Se tienen edades radiométricas de Fournier D’Amore y Panichi Giggenbach y millones de años, por lo que se sitúan princi- (1988 y 1989) y Tello (1989, y 1994). palmente en el Plioceno. En la zona del campo geotér- mico forman parte del paquete andesítico inferior que

Geología cubre a las calizas del Cretácico.

La información de la geología superficial ha sido repor- Actividad eruptiva de la caldera

tada por Viniegra (1965); Meneses (1965) y Tarango

(1 967); Yáñez y García 982); Ferriz 984); Garduño La actividad silícea más importante se inició hace

et al. (1985); Cedillo (1984); Ferriz y Mahood (1984); millones de años con la emisión de la ignimbrita Xalti- Campos y Garduño y López (1997). pan. Contiene abundante pómez de composición do- A partir del Jurásico Superior se inició el depósito minantemente riolítica, obsidiana y fragmentos de rioli- de lutitas negras carbonosas, con intercalaciones de ta. Por lo general se encuentra poco soldada en los calizas arcillosas (Fm. Santiago), que posteriormente afloramientos, salvo en la región de Xaltipan, donde se cambiaron a materiales cada vez con mayor influencia presenta medianamente soldada. Su distribución es calcárea (Fm. Tamán). En general, la serie jurásica muy amplia, rodea al anillo caldérico. La evacuación de aflora en el norte del área. esta ignimbrita produjo el colapso de la caldera de Los A principios del Cretácico, como consecuencia del Humeros, cuyo diámetro mayor es de kilómetros. incremento de la transgresión marina, se favoreció el Después del colapso de Los Humeros se emplazaron depósito de sedimentos calcáreos, representados por domos riolíticos sobre la zona de fractura anular, acom- bancos potentes de calizas cristalinas con lentes de pe- pañados por tobas de caída aérea. Se obtuvo una dernal negro (Fm. Tamaulipas Inferior). En el Cretácico edad de millones de años (Ferriz, 1984).

Medio y Superior se depositaron calizas arcillosas de La evacuación magmática continuó con derrames estratificación delgada y media, con bandas de peder- de andesitas, andesitas basálticas y basaltos, que se nal negro (Fm. Tamaulipas Superior). La acumulación encuentran principalmente en la parte central de la continuó con calizas arcillosas en capas delgadas con caldera de Los Humeros y hacia el sur. Después de la algunas intercalaciones de lutitas (Fm. Agua Nueva). evacuación de la mayor parte de la lavas (principal- Posteriormente la sedimentación se hizo cada vez más mente andesíticas), se produjo la erupción de pómez arcillosa, como se observa en las calizas arcillosas con (depósitos de pómez postZaragoza), principalmente intercalaciones de bentonita de la Fm. San Felipe. La de composición riodacítica, que enmascaró los rasgos secuencia sedimentaria cretácica aflora en todas di- más antiguos. Se distribuyeron principalmente hacia el recciones alrededor de la caldera de Los Humeros. AI este y sureste.

suroeste forma las prominencias topográficas más im- A lo largo de la porción sur de la fractura anular de portantes (Sierra de Tepeyahualco); algunos de los po- Los Humeros se formó un arco de conos de escoria; al- zos perforados atravesaron las unidades cretácicas. gunos centros de emisión alimentaron extensos derra- A fines del Cretácico y durante el Terciario Inferior mes tipo AA, que se extienden hasta kilómetros ha- tuvo lugar la orogenia Laramide, que generó esfuerzos cia el sur del complejo volcánico, cubriendo las calizas compresivos en dirección noreste-suroeste, originando del Cretácico en la sierra de Tepeyahualco.

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Las manifestaciones termales superficiales en Los Humeros son de tipo gaseoso, presentándose en forma de fumarolas y de suelos calientes vaporizantes, así como zonas de caolinización. Estas manifestaciones liberan pequeñas cantidades de vapor a través de suelos porosos, con temperaturas de a 89°C.

En el área estudiada existen deformaciones de origen tectónico y magmático. La deformación de origen tectónico generó dos tipos de estructuras: compresivas y tensionales. La primera y más antigua, de tipo com- presional, actuó a fines del Cretácico y afectó a la secuencia sedimentaria del Jurásico-Cretácico; se generaron pliegues, cabalgaduras, fallas inversas y de rumbo. El segundo grupo se originó durante el Mioce- no Superior, donde tuvieron lugar dos etapas de defor- mación de tipo extensional que actuaron en al ámbito regional, se generaron fallas normales y fracturas. A di- ferencia del anterior, este evento no afectó homogé- neamente a todas las unidades, se encuentra sólo en zonas preferenciales asociadas con las fallas. En efec- to, el sistema más antiguo es de dirección noroeste-sureste y comprende a todos los elementos estructurales de la Sierra Madre Oriental, incluyendo a la llamada Faja de Pliegues y Cabalgaduras; su edad es eocéni- ca, por ser producto de la fase de deformación laramí- dica. Un segundo sistema estructural está representa- do por el mencionado Graben de Libres-Oriental, de edad probablemente oligocénica y de tendencia noreste-suroeste (Garduño et al., Las estructuras de este sistema son fallas normales y fracturas que eventualmente cortan a las estructuras del sistema precedente. El sistema más reciente tiene una direc- ción predominante norte-sur, siendo su principal ele- mento el lineamiento Tehuacán-Pico de Orizaba-Cofre de Perote, el cual parece comportarse como una falla lateral derecha; su edad es probablemente mio-poliocénica.

Los procesos de deformación más recientes se encuentran en el sitio donde se emplazó la caldera de Los Humeros y se relacionan con el magmatismo que generó la actividad volcánica de esta zona. Las estructuras más importantes son las fallas anulares de kilómetro de diámetro (Caldera de Los Humeros) y ki- lómetros (Caldera de Los Potreros, ver ilustración Ambas estructuras se originaron debido a la extrava- sación de un importante volumen de magma, lo que produjo un hueco en la cámara magmática y causó el desplome de su techo. Los colapsos se inician en el subsuelo, sobre el techo de la cámara, y se desarrollan hacia arriba. Cuando los colapsos alcanzaron la superficie se produjeron deformaciones de trazo circular, Io que explica por qué estas fallas anulares son de gran penetración y con frecuencia se encuentran re-

llenas por magma solidificado, que forma los diques anulares.

Geoquímica del agua

Agua separada de los pozos

En el cuadro está referida la composición química del agua separada de los pozos productores de Los Humeros, Puebla.

La ilustración relaciona el contenido relativo de SO,, CI, y HCO3. Los pozos H-6, H-10, H-12, H-20, H-23, H-24, H-29 y H-33 presentan un carácter clorurado-sódico. Este tipo geoquímico es característico de agua proveniente de un yacimiento geotérmico. Nor- malmente en un yacimiento geotérmico el equilibrio agua-roca se lleva a cabo a profundidad y a altas temperaturas. El agua de los pozos H-10, H-23, H-24, H-27 y H-33 cae en la zona de aguas maduras.

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la reacción con la roca produce soluciones bicarbona- tadas-sulfatadas con pH ácido o alcalino.

Los pozos H-1, H-7, H-8, H-13, H-16, H-17, H-19, H-34, H-36 y H-37 presentan un carácter sulfatado-só- dico, el cual también es adquirido cuando el pozo está produciendo en la parte

más

somera del yacimiento, la cual corresponde a una zona de condensación. Esto hace que al interaccionar el H2S de origen geotérmico con el agua de la zona de condensación, parte del H2S, se disuelve en la fase líquida, con lo que se enri- quece en sulfatos. Esto sólo puede ocurrir en la parte más somera de un yacimiento geotérmico o bien en manantiales superficiales (Tello, 1992).

Características de las aguas de los manantiales

En cuanto a los manantiales aledaños al campo, los cuales están referidos en el cuadro en su totalidad son del tipo bicarbonatado-sódico. Este carácter geoquí- mico sugiere que se trata de aguas de origen meteóri-

co de reciente infiltración que han circulado a través de roca de tipo volcánico. Las bajas concentraciones de cloruros y boro, y altas concentraciones de calcio y magnesio permiten suponer que están interaccionan- do con roca a bajas temperaturas (ilustración 2).

Equilibrio agua-roca

Agua separada de los pozos

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La interacción agua-roca de fluidos producidos magma están en la etapa de reequilibración con la dentro de un sistema volcánico asociado con fluidos fase roca, lo cual se debe a que el equilibrio químico de origen magmático puede ser también evaluada en agua-roca requiere de una velocidad y un cierto tiem- términos de dos procesos hipotéticos, pero bien defi- po para que se logre. Como se puede ver en la ilus- nidos (Giggenbach, 1988): a) disolución inicial de la tración el agua de los pozos tiende a equilibrarse roca, y b) reequilibración final de las fases agua-roca. con la roca a temperaturas de a 300°C.

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Agua

de

los

manantiales

Las aguas que corresponden a manantiales están todas desplazadas hacia la esquina del Mg. Esto indica que se trata de aguas de reciente infiltración bicarbo- natadas-sódicas que se han equilibrado con roca de origen volcánico a temperaturas inferiores a lo que reafirma que se trata de aguas de circulación somera, que se han estabilizado con la roca a bajas temperaturas.

Se puede decir que la composición química del agua de los manantiales es producto de la disolución de la roca con la que estuvo en contacto antes de aflo- rar a la superficie. Esto se debe a que al graficar el contenido relativo de Na-K-Ca-Mg casi todos los manantiales se agrupan en la zona de "disolución de roca" (ilustración 4). Para evaluar la última temperatura de equilibrio del agua de manantiales se utilizó la ilustración En esta ilustración se puede ver que las temperaturas estimadas por el geotermómetro K/Mg son inferiores a 100°C. Esto reafirma que el agua de los manantiales es de origen meteórico. Por esta razón no se recomienda aplicarles el resto de los geotermó- metros de fase líquida.

Las entalpías de descarga de los pozos del campo geotérmico de Los Humeros varían de a kJ/kg. En el cuadro está referida la entalpía (Ho) de mezcla de los pozos de Los Humeros, en ella se observa que la entalpía de descarga del pozo H-1 corres- las cuales son mayores a 300°C. En los pozos localiza-

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Conclusiones

De acuerdo con el estado de equilibrio agua-roca, se encontró que el sistema geotérmico de Los Humeros está en desequilibrio, lo cual origina que la composi- ción química del agua producida por

los

pozos sea va- riada y se pueda clasificar en bicarbonatada-sódica, sulfatada-sódica y clorurada-sódica.

Los pozos de Los Humeros presentan un corrimien- to de característico de fluidos geotérmicos. Esto indica que la interacción agua-roca se efectuó a altas temperaturas. La composición isotópica del agua de los manantiales se agrupa en su mayoría en la línea de agua meteórica y se trata de aguas de reciente infil- tración, que no presentan ninguna interacción con fluidos geotérmicos profundos.

Recibido: 21/06/1999 Aprobado:

Referencias

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reservorio; por consecuencia, el exceso de vapor a Cedillo Rodríguez, F., Estudio geológico de Los Humeros-Las condiciones de yacimiento es pequeño. Esto sugiere Derrumbadas, estados de Puebla y Veracruz, informe in- que el yacimiento penetrado por el pozo H-1 es de Ií- terno 17/84, Comisión Federal de Electricidad, México, quido dominante. Para el resto de los pozos, la ental- pp.

pía de mezcla es mucho mayor que la entalpía de un D'Amore, F. y C. Panichi,, Evaluation of deep temperature of líquido saturado a la temperatura de yacimiento. hydrothermal systems by a new gas geothermometer,

Geochim, Cosmochim, acta pp.549-556.

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PP.

sido utilizada en los modelos geoquímicos del campo Ferriz Domínguez, H. y A. Mahood, "Eruption rates and corn-

(Tello, 1989a y positional trends at Los Humeros Volcanic Center, Puebla,

En la ilustración se encuentra graficado el conte- Mexico", J. Geophys. Res, vol. B10, pp. nido de deuterio contra el contenido de oxígeno-18,

corregidos en la descarga total de los pozos de Los Fournier, R.O., "Chemical geothermometer and mixing mo- Humeros. Se puede observar que los pozos presentan dels for geothermal systems", Geothermics, vol.

pp.

geotérmicos. Este enriquecimiento de oxígeno-18 se Garduño Monroy, V.H., F. Romero Ríos y R. Torres Hernández, debe a que el equilibrio agua-roca se llevó a cabo a Estudio estructural y de teledetección en la región de Li- altas temperaturas. En la misma ilustración se graficó bres-Oriental (Puebla-Veracruz), informe interno 12/85, el contenido de oxígeno-18 contra deuterio de ma- Comisión Federal de Electricidad, pp.

nantiales aledaños al campo -éstos se ubican en su Giggenbach,

w.,

Geothermal solute equilibria. derivation totalidad en la línea de agua meteórica-, lo que con- Na-K-Mg-Ca-geoindicators, Geochim. Cosmochim, acta

que no presentan ninguna interacción con fluidos Giggenbach, W., Techniques for the interpretation of water

geotérmicos. and analyses in geothermal exploration, Chemistry Divi-

ponde a la de un líquido saturado a la temperatura del pp.

ducidos por los pozos productores de Los Humeros ha

un corrimiento de oxígeno-18 característico de fluidos

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Yáñez García, C. y S. García Durán, Exploración de la región geotérmica Los Humeros-Las Derrumbadas, estados de Puebla y Veracruz, Comisión Federal de Electricidad,

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Abstract

González Partida, E., E. Tello Hinojosa M. Pal Verma, “Water interaction geothermal-spring in the geother- mal field of Los Humeros, Puebla, Mexico”, Hydraulic Engineering in Mexico (in Spanish), vol. XVI, num. pages April-June,

The springs around the Los Humeros geothermal field are of the sodium-bicarbonate type. This geo- chemical characteristics suggests the infiltration and circulation of recent meteoric origin water through vol- canic rocks. According to the state of equilibrium water-rock, it was found that the geothermal field of Los Humeros is an unbalanced system. This occurs in geothermal systems associated to recent volcanism such as the one found at Los Humeros. The gases present in the geothermal reservoir are of magmatic origin and the HCI has not been totally neutralized by the reaction of feldspar and mica. This is also confirmed by the high contents of H3BO3 and As, these elements indicate that the system of Los Humeros is recent. Due to the lack of water-rock equilibrium, which can be observed within this field, water type varies according to the well and well-site where it is produced. The more superficial wells present water with greater contents of sodium bicarbonate, while the deeper wells present a geochemical type of sodium chloride. According to the excess steam data, it was found that well H I produces predominantly liquid in the liquid zone, while the rest of the wells produce in two phases (liquid and steam). According to their isotopic composition, the wells from Los Humeros present Oxigen-18 shift that is the characteristics of fluids of geothermal origin which have equilibrated with rocks at high temperature. Most springs in this field are found within a meteoric line.

Key words: Springs, geothermal water, unbalance, meteoric origin.

Dirección institucional de los autores:

Eduardo González Partida

Universidad Nacional Autónoma de México

Unidad de Investigación en Ciencias de la Tierra (Unicit) Juriquilla, Querétaro.

Enrique Tello Hinojosa

Comisión Federal de Electricidad

Gerencia de Estudios Geotermoeléctricos, Departamento de Geoquímica.

Mahendra Pal Verma